本书从基本原理、电路设计和案例应用三个层次，全面、系统地介绍芯片攻击与安全防护的相关知识，全书共10章，其中第1章为绪论，第2～4章介绍侧信道攻击与防护、故障攻击与防护和侵入式及半侵入式攻击与防护，第5章介绍硬件木马攻击与防护，第6章介绍物理不可克隆函数，第7～9章分别介绍IP核安全防护、处理器安全防护、存储器安全防护，第10章介绍芯片测试与安全防护。全书内容翔实、概念讲解深入浅出、案例应用丰富，各章末尾均列有参考文献以供读者进一步深入学习。本书提供配套的电子课件PPT。本书可以作为普通高等院校电子科学与技术、网络空间安全、计算机科学与技术、信息安全等专业高年级本科生及研究生的教材，同时也是芯片安全性设计、攻击分析、安全性测试评估等领域的工程技术人员和研究人员的重要参考资料。

前 言 随着互联网、大数据、云计算及人工智能等信息技术的加速创新，其与经济社会各个领域的融合不断加深，极大地改变了人们的生产与生活方式。如今数字经济已经上升为国家战略，逐渐成为重组全球要素资源、重塑全球经济结构、改变全球竞争格局的关键力量。然而伴随信息技术快速发展而来的是安全方面的隐患，正如英国作家查尔斯·狄更斯在《双城记》中开篇所说：“这是一个最美好的时代，也是一个最糟糕的时代。”而对于信息技术蓬勃发展和广泛应用的今天，最美好和最糟糕之间往往只差了一个“安全”。近年来，针对信息系统的攻击越来越多，危害越来越大，攻击对象也正在从面向应用和软件的高层向底层硬件转移。芯片作为现代电子信息系统的“芯”脏，是底层硬件平台的核心，其面临的安全风险也在不断增加，针对芯片潜在的脆弱点或安全风险一旦被触发，就会导致一系列严重后果。 目前，芯片的安全性问题已经受到社会各界广泛关注，各国都在加速推进芯片安全技术的研究。如美国国防部高级研究计划局（DARPA）启动的“电子复兴计划”（ERI）已经将芯片安全性设计作为主要研究方向之一，欧洲11国提出的“电子芯片和半导体产业联盟计划”将安全增强处理器设计作为核心任务之一等。我国也正在以网络空间安全为牵引，不断强化关键信息基础设施的安全技术研究，特别是随着“网络空间安全”和“集成电路科学与工程”等一级学科的设立，各个高校、科研单位及相关公司都开始聚力于以芯片为核心的硬件安全技术的研究与探索。 然而芯片的安全防护技术涉及芯片设计与制造、信息安全、密码学、计算机科学与技术、网络空间安全等多个学科领域的交叉融合，以及相关国家标准、检测规范和法律法规的制定，内容涵盖得非常广泛。同时，在现有的芯片安全防护设计中，缺乏通用、有效的工具和系统的解决方案等，这些都为芯片安全防护技术的研究带来了巨大挑战。 芯片安全防护技术的发展离不开大量相关领域专业技术人才的支撑，然而在这方面的人才培养和实际教学中，系统性的教材和参考书籍仍较为匮乏。为了进一步促进以芯片安全为核心的防护技术研究，适应新时代课程体系和教学内容的改革，培养更多适应芯片安全防护技术发展的综合性人才，笔者编写了本书。 本书有以下特色。 （?）围绕芯片的全生命周期及供应链安全，从设计、制造和测试等多个维度，全面、系统地介绍针对芯片的攻击及安全防护技术，内容涵盖物理攻击、硬件木马、测试攻击、数据防护及安全原语设计等，能够呈现出一幅完整的芯片安全防护基础图景。 （?）全书从基本原理、电路设计和案例应用三个层次，从攻击和防护两个维度对各部分内容进行编排设计，力求做到深入浅出、循序渐进、即学即用。 （?）着重对IP核、处理器、存储器等典型芯片类型的攻击与防护技术进行全面介绍，涵盖攻击模型分析、攻击方法实现及应对防护策略等。 （?）涵盖芯片安全防护技术的最新发展趋势，包括新兴器件、新兴工艺和人工智能技术在芯片安全防护中的应用及对芯片安全性的影响等内容。 全书共10章，全面、系统地介绍芯片安全防护的知识。第1章为绪论，主要对芯片安全防护概念、发展趋势及芯片安全防护中常用的密码算法进行介绍。第2～4章对芯片的物理攻击与防护技术进行介绍，其中第2章介绍侧信道攻击与防护，第3章介绍故障攻击与防护，第4章介绍侵入式及半侵入式攻击与防护。第5章主要介绍硬件木马攻击与防护。第6章介绍物理不可克隆函数。第7～9章围绕具体的芯片类型（IP核、处理器、存储器），详细介绍相关的攻击模型、攻击方法及防护技术。第10章主要介绍芯片测试与安全防护，包括基于扫描链、JTAG的攻击及面向SoC的测试攻击等。 本书提供配套的电子课件PPT，请登录华信教育资源网（www.hxedu.com.cn）注册后免费下载，也可联系本书编辑（010-88254113，wangxq@phei.com.cn）索取。 本书第1～7章、第9～10章由朱春生编写，第8章由朱春生和郭朋飞共同编写。本书在编写的过程中参考了大量近年来出版的相关技术资料，吸取了许多专家和同人的宝贵经验，在此向他们深表谢意。特别是中国人民解放军战略支援部队信息工程大学的严迎建、戴紫彬、张立朝、徐金甫、陈韬、陈琳、李伟、徐劲松、刘军伟、南龙梅、钟晶鑫、王俊杰、李军伟、杜怡然、刘燕江、金羽等老师，为本书的编写提供了有力支持和宝贵意见。电子工业出版社为本书的编辑、校对、出版做了大量工作，笔者对此表示诚挚的感谢。同时，也感谢我的家人，特别是我的妻子李攀和孩子朱鸣谦，感谢你们在新冠肺炎疫情期间全力支持我的工作和生活，使我有充足的时间完成本书编写。 笔者希望通过本书，能够与国内同行一起分享和探索芯片安全防护领域的技术发展，共同提高我国芯片安全防护水平。 由于国内外半导体芯片技术和信息安全技术迅猛发展，针对芯片安全防护技术的研究和应用正在发生深刻变革，因此笔者虽然在编写过程中力求精益求精，但仍未能面面俱到。加上笔者水平有限，书中错误和不足之处在所难免，敬请读者批评指正，有任何疑问可与笔者直接联系（cszhu01@126.com）。 朱春生 2022年12月

目 录 第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2 芯片攻击与安全防护 3 1.3 典型密码算法简介 5 1.3.1 DES算法 5 1.3.2 AES算法 9 1.4 芯片安全防护的发展趋势 11 1.4.1 基于Chiplet的芯片安全防护技术 12 1.4.2 基于新型器件的芯片安全防护技术 14 1.4.3 硬件固件整合系统安全 14 1.4.4 安全硅的自动实施 15 1.5 本章小结 17 参考文献 17 第2章 侧信道攻击与防护 18 2.1 侧信道攻击 18 2.1.1 侧信道攻击的原理 18 2.1.2 侧信道攻击的分类 19 2.1.3 新型侧信道攻击 21 2.2 能量/电磁分析技术 24 2.2.1 信息泄露机制与采集 24 2.2.2 能量迹的预处理 27 2.2.3 简单能量分析 29 2.2.4 差分能量分析 30 2.2.5 相关能量分析 32 2.2.6 模板攻击 34 2.3 能量分析的防护技术 37 2.3.1 算法级防护 38 2.3.2 电路级防护 41 2.3.3 系统级防护 43 2.4 计时攻击与防护 46 2.4.1 普通计时攻击 46 2.4.2 计时攻击的防护技术 47 2.5 侧信道安全性评估 48 2.5.1 安全性检测评估标准 48 2.5.2 基于泄露的安全性评估技术 49 2.6 本章小结 50 参考文献 51 第3章 故障攻击与防护 52 3.1 故障攻击原理 52 3.2 故障注入技术 53 3.2.1 毛刺注入 54 3.2.2 激光注入 56 3.2.3 电磁注入 57 3.3 故障分析技术 60 3.3.1 故障模型 60 3.3.2 差分故障分析 61 3.3.3 非差分故障分析 63 3.4 故障攻击实例 64 3.5 故障攻击防护技术 67 3.5.1 物理隔离 67 3.5.2 环境监测 67 3.5.3 故障检测 69 3.5.4 故障纠错 70 3.6 本章小结 70 参考文献 70 第4章 侵入式及半侵入式攻击与防护 72 4.1 引言 72 4.1.1 基本概念 72 4.1.2 常见的攻击设备 72 4.2 逆向工程 76 4.2.1 芯片封装去除 77 4.2.2 裸芯去层 78 4.2.3 图像拍照采集和处理分析 79 4.2.4 网表提取 81 4.3 微探针攻击 82 4.3.1 微探针攻击流程 82 4.3.2 基于铣削的探测攻击 83 4.3.3 背面探测攻击 84 4.4 半侵入式攻击 84 4.4.1 光错误注入 84 4.4.2 光辐射分析 86 4.5 侵入式和半侵入式攻击的防护技术 86 4.5.1 金属布线层防护 87 4.5.2 安全封装 89 4.6 本章小结 92 参考文献 92 第5章 硬件木马攻击与防护 94 5.1 引言 94 5.1.1 硬件木马的概念 95 5.1.2 硬件木马的结构 95 5.2 硬件木马分类方法 97 5.2.1 基于行为的分类方法 97 5.2.2 基于电路结构的分类方法 100 5.3 硬件木马的设计与攻击模式 102 5.3.1 面向逻辑功能篡改的硬件木马 102 5.3.2 面向侧信道泄露的硬件木马 103 5.3.3 面向性能降低的硬件木马 105 5.3.4 面向处理器的硬件木马 106 5.3.5 硬件木马基准电路 107 5.4 硬件木马检测与防护技术 108 5.4.1 硬件木马检测 109 5.4.2 安全性设计 112 5.4.3 信任拆分制造 116 5.5 本章小结 118 参考文献 118 第6章 物理不可克隆函数 120 6.1 引言 120 6.1.1 PUF的基本原理 120 6.1.2 PUF的基本特性 121 6.1.3 PUF分类 124 6.2 PUF的设计实现 126 6.2.1 延时型PUF设计 127 6.2.2 存储型PUF设计 131 6.3 PUF的典型应用 133 6.3.1 密钥生成 133 6.3.2 身份认证 135 6.4 PUF的攻击与防护 136 6.4.1 PUF的攻击技术 136 6.4.2 PUF的防护技术 137 6.5 新型PUF技术 139 6.5.1 基于阻变存储器的PUF 139 6.5.2 基于MOS管软击穿的PUF 141 6.6 本章小结 143 参考文献 143 第7章 IP核安全防护 145 7.1 引言 145 7.1.1 IP核的概念与分类 145 7.1.2 IP核面临的安全威胁 147 7.2 IP核数字水印技术 147 7.2.1 数字水印生成 148 7.2.2 数字水印嵌入原理及方法 149 7.2.3 IP核数字水印检测提取 152 7.3 IP核逻辑混淆技术 153 7.3.1 时序逻辑混淆 154 7.3.2 组合逻辑混淆 157 7.3.3 基于门级伪装的逻辑混淆 159 7.4 芯片计量技术 162 7.4.1 被动式芯片计量 162 7.4.2 主动式芯片计量 163 7.5 本章小结 164 参考文献 164 第8章 处理器安全防护 166 8.1 引言 166 8.2 CPU的工作机制 167 8.2.1 CPU处理流程 167 8.2.2 缓存和共享内存 170 8.3 CPU的安全模型与安全问题分析 173 8.3.1 CPU的安全模型 173 8.3.2 CPU的安全问题分析 174 8.4 基于缓存的时间侧信道攻击 177 8.4.1 Evict+Reload攻击 178 8.4.2 Flush+Reload攻击 179 8.5 瞬态执行攻击 180 8.5.1 熔断漏洞攻击 182 8.5.2 幽灵漏洞攻击 183 8.6 CPU的安全防护技术 184 8.6.1 漏洞防御策略 184 8.6.2 安全隔离技术 186 8.7 本章小结 188 参考文献 188 第9章 存储器安全防护 190 9.1 引言 190 9.2 易失性存储器的攻击与防护 192 9.2.1 SRAM结构与工作原理 192 9.2.2 SRAM的数据残留攻击 194 9.2.3 SRAM的安全防护机制 196 9.2.4 SRAM的安全防护设计 197 9.3 非易失性存储器的攻击与防护 199 9.3.1 Flash结构与工作原理 200 9.3.2 Flash的数据残留现象 201 9.3.3 Flash的数据销毁技术 203 9.4 新型存储器的安全技术 205 9.4.1 MRAM结构与工作原理 206 9.4.2 针对MRAM的攻击技术 207 9.4.3 MRAM的侧信道防护技术 209 9.5 本章小结 210 参考文献 211 第10章 芯片测试与安全防护 213 10.1 引言 213 10.1.1 扫描测试 213 10.1.2 边界扫描测试 214 10.1.3 内建自测试 216 10.1.4 可测性与安全性 216 10.2 基于扫描测试的攻击与防护 217 10.2.1 扫描测试攻击分类 217 10.2.2 面向密码芯片的扫描测试攻击实例 218 10.2.3 安全扫描测试技术 220 10.3 JTAG的攻击与防护 221 10.3.1 JTAG的安全模型 221 10.3.2 JTAG的攻击方式 222 10.3.3 JTAG的安全防护 224 10.4 面向SOC测试的攻击与防护 226 10.4.1 面向SoC测试的攻击技术 226 10.4.2 面向SoC测试的防护技术 227 10.5 本章小结 228 参考文献 228